虚拟仿真技术在测绘教学中的应用与实践

余学祥，马 浩

（1.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院 安徽 淮南 232001；2.矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室 安徽 淮南 232001；3.矿区环境与灾害协同监测煤炭行业工程研究中心 安徽 准南 232001）

虚拟仿真技术又称虚拟现实技术，涉及人机交互技术、人工智能技术、传感技术等[1]。虚拟仿真技术具有交互性、虚拟性、逼真性的特点，已经被应用于多个专业领域，且在某些专业的教学与实践中发挥了很的大作用。测绘专业是一门实践性很强的学科，特别重视学生理论与实践相结合的能力[2]。因此在测绘专业的教学过程中，不仅要重视理论知识的教学，还要重视学生自主动手操作的能力，由于教师在课堂上基本通过教材讲解专业知识，无法直接培养学生的动手操作能力。因此，在课堂上引入虚拟仿真技术可以让学生在仿真软件上观察测绘仪器的操作方式，从而更好地掌握专业知识并提高实践能力，提高学生的学习兴趣和学习效率[3]。

1 测绘教学中存在的问题

①实训设备昂贵。测绘仪器是测绘工程专业实践训练的关键。随着科学技术的不断发展，测绘专业的仪器越来越高端，越来越精密，同时也存在很多问题，如三维激光扫描设备，设备昂贵，单价高达上百万元，且数量少，因此进行这些设备的教学培训时教师需要承担不小的风险。还有无人机的教学，无人机摄影测量已经成为摄影测量的主要方式[4]，无人机摄影测量的实践训练需要学生控制无人机，然而无人机在飞行过程中有坠机的风险，还会威胁人民生命和财产安全。通过虚拟仿真软件，将测绘仪器的认识过程，组装过程以及操作的方法全部进行虚拟仿真，学生在虚拟仿真平台中掌握了无人机的操作方法后，再进行真机训练，可以更好地上手无人机操作，降低训练成本和风险[5]。

②实验场地限制，一般测绘专业的实验场地都在校内，而校内场地可用面积不足，以安徽理工大学为例，校内车辆较多，并且有树木遮挡，场地面积不够大从而对测量工作造成影响。无法高效地进行测绘工程教学与实践，从而影响学生的学习效果。

③实验方法有待改善，由于无人机的教学实践一般由教师传授操作方法之后，再由学生自主进行操作训练，这个过程中就无法评判每个学生的掌握程度，无法了解到每个学生对无人机操作的掌握情况，难以获得准确的评价。

④实验时间限制，在传统的实践教学中，一般一节课为两个课时90 分钟，在这90 分钟的时间内教师要进行设备操作的演示，然后再由学生自己动手操作，留给学生操作的时间很少，很多学生无法熟练地掌握仪器的操作方法。

2 虚拟仿真技术在课程教学中的应用

虚拟仿真技术又称虚拟现实技术或仿真技术，是利用虚拟系统进行真实系统模拟的新型技术[6]。目前虚拟仿真技术越来越多地应用到课堂学习中，尤其是在金课建设中，有的学校已经做出了虚实结合的课程。对于虚拟仿真技术而言，其优点是节省成本，它可以真实模拟大型专业的仪器设备或者是困难的外界环境，还可以不受时间、地点以及天气的影响，轻松完成我们想要进行的实践，学生可随时在虚拟仿真系统里实现各种实验操作，而且对于在现实过程中需要几个人才能完成的实验操作，在虚拟仿真系统中仅仅一个人就能全部完成，还能大大减少完成实践耗费的时间。在虚拟仿真世界中，由于其场景与大型3D 游戏中的场景相似，具有很好的交互性，这样可以大大提高学生的积极性和探索性[7]，提高学生的学习效率和教师的教学效果。安徽理工大学引入了南方测绘的虚拟仿真教学系统，形成了虚拟仿真实验室，为开展实践教学提供一个全新的教学平台。

3 虚拟仿真教学实践

本文将以“无人机航空摄影测量”为例，将虚拟仿真技术应用于测绘专业课程教学。

3.1 教学准备

在理论课上，学生学习课程无人机航空摄影的理论知识，并且自主完成课堂上发布的相关测试，教师根据测试的完成情况进行讲解，同时注重对学生的问题进行答疑，课下让学生进行实训和讨论，虚拟仿真实践可以分为线上或线下进行。

3.2 教学实施

3.2.1 认识无人机

在对学生进行无人机操作培训之前，首先教师要让学生了解无人机的组成结构和相关概念，用虚拟仿真系统模拟无人机的组成，通过这个环节来让学生认识到无人机的结构。学生利用虚拟仿真系统进入无人机的航空飞行实验操作界面，交互式地学习和认识无人机结构、无人机的飞行原理，无人机的组成，让学生通过虚拟仿真系统来模拟无人机的拆分和组装过程，加强理解。通过该环节，学生能够了解无人机的结构和系统组成，学会组装无人机并且熟练掌握无人机的控制方法，从而在之后实践操作无人机的过程中能够更加熟练，避免发生各种意外导致无人机的损坏。

3.2.2 无人机的控制

在进行无人机飞行之前，教师通过虚拟仿真的方式教学无人机的控制方法，首先学生进入虚拟仿真模拟系统的操作界面。再点起降点，进行控制无人机飞行的训练，主要包括：起飞、降落、悬停等[8]。通过这种方法来辅助学生掌握无人机控制操作的技巧，增强动手操作能力，提高将来实践操作飞行训练的效率，加强操作无人机的安全性，避免由于操作不当造成的飞行事故，避免无人机的各种损坏。

3.2.3 无人机航线设计

架构三维虚拟内业和外业情景，利用无人机获取地理信息外业数据，主要包括树木、交通道路、房屋等，还有农村、山林、城市等各种地理场所，并且可以以第一人称对各种场景进行观看，且拥有地理空间坐标系统，可以对无人机外业工作的全部流程以第一人称进行模拟。学生可以根据教师的要求，在虚拟仿真系统中完成摄影测量的全部过程，其中有空域申请、布设控制点、像控点的测量、飞行航线设计、影像数据采集、飞行模拟等操作，了解像控点测量的要求，以及像控点的布设方法。

学生可完成4D 产品的制作与编辑方法的学习。而且无人机虚拟仿真模拟系统还有“实践反馈”的模块，能够对学生实验操作的各种数据以及操作信息进行记录并处理，自动进行成绩评价。在实验过程中，这个系统也会对学生进行各种操作的提示，从而帮助学生更好地完成实验，强化学生对实验操作的理解。

通过使用模拟仿真系统进行无人机的教学，增强了学生在课堂上掌握无人机操作方法的效率，增强了课堂上学生与教师的互动，使课堂学习变得更有趣味，提高了学生的学习积极性。

3.3 教学评价

教学评价包括线上教学评价和虚拟仿真训练评价两个部分。线上教学评价主要是在线上的教学系统实现多方面的成绩考核与评价。虚拟仿真训练评价的依据是学生的自主学习效果，由教师在课堂上进行理论教学，并利用虚拟仿真软件进行模拟仿真操作辅助教学，再由学生在实践课上完成无人机的实践自主操作，最终由系统完成成绩评价，教师可以将这一评价结果作为学生课程考核的一个参考依据。2022 年的教学实践结果如表1 所示，虚拟仿真实训教学和传统教学模式对比，学生的最终成绩有了明显的提升。考核分数平均提升32.9%，在课堂实践过程中，实践效果提升21.0%，在课后训练有更明显的提升，达36.1%。

表1 不同教学方式任务完成情况

4 教学效果

在传统教学的实践课堂中，很大的问题是学生的兴趣不足，仪器数量不够，导致学生无法真实感受到仪器的结构和具体操作方法，以至于教学效率低下，无法调动学生自主学习的积极性，而加入虚拟仿真实验室之后，激发了学生的学习自主性，提高了学生的学习兴趣，在虚拟仿真软件的帮助下，使得学生的学习与教师的教学更加智能化，提高了学生的学习效率，以及对未知事物的探索，大大提高了学生的动手操作能力和自主思考能力。

5 结语

针对安徽理工大学测绘工程专业以往实践教学中的各种弊端，本文探索了一种新型的以虚拟仿真系统为依托的教学模式，以教师为主导，学生为主体，大大提升了实践教学的效果。虚拟仿真教学模式不仅能够有效解决传统实践教学所面临的设备难获取，场地不丰富，教学不直观等问题，而且提供了一种新型的教学评价方法。让教师能更好地对学生成绩进行评价。当然实践教学是一个长期发展的过程，在实践教学过程中，还需要不断对教学系统进行完善，不断提高教学水平和教学质量，从而培养出更优秀的人才。